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Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Drehfeldmaschinen, die eine Einrichtung zur Messung des Drehwinkels zwischen dem Stator und dem Rotor aufweisen, und insbesondere auf bürstenlose Gleichstrommotoren für Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik.
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In einigen Typen von elektrischen Drehfeldmaschinen ist es notwendig oder nützlich, die relative Winkelstellung des Rotors gegenüber dem Stator bestimmen zu können. Aus dem festgestellten Drehwinkel kann eine geeignete Schaltung beispielsweise die Zeitpunkte für das Ein- und Ausschalten von bestimmten Wicklungen der Drehfeldmaschine ableiten, sodass der Rotor sich in der gewünschten Weise bezüglich des Stators dreht. Beispielsweise können die Schaltzeitpunkte so bemessen sein, dass der Rotor sich mit einer gewünschten, vorab festgelegten Drehzahl dreht.
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Der Drehwinkel des Rotors kann dabei elektromagnetisch über einen mehrpoligen Sensormagneten und mindestens einem Hall-IC erfasst werden.
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Bei gebräuchlichen Systemen liegt das Sensorsystem vor oder hinter der Lagerebene und der Sensormagnet ist oft mittels Rückschlussring und einer nicht magnetischen Kappe komplett umschlossen. Bei einer solchen Anordnung des Sensorsystems vergrößert sich die Baulänge des Motors, um das Sensorsystem aufzunehmen. Häufig ist der Sensormagnet direkt an der Rotorwelle befestigt. Dies ist zwar vorteilhaft in Bezug auf die radiale Ausdehnung des Motors und der Drehmassenverteilung, führt jedoch dazu, dass die Segmentbreitenvarianz der Magnetpole am Sensormagnet und die fertigungstoleranzbedingte Positionsabweichung des Hall-ICs einen relativ großen Einfluss auf die Genauigkeit der Drehwinkelbestimmung haben.
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Die französische Patentanmeldung
FR 2 807 231 A1 zeigt eine elektrische Maschine mit einer Sensoranordnung, die sich nur geringfügig auf die Baulänge des Motors auswirkt und die eine größere Genauigkeit der Drehwinkelbestimmung ermöglicht. Dabei ist die Sensoranordnung außerhalb eines Gehäuses der Drehfeldmaschine angebracht, wodurch das innerhalb des Gehäuses vorherrschende Statormagnetfeld weitgehend vom Magnetfeldsensor abgeschirmt ist. Daher wird die Drehwinkelbestimmung kaum von dem Statordrehfeld verfälscht. Durch die Anbringung der Sensoranordnung außerhalb des Gehäuses ist die Sensoranordnung jedoch möglicherweise erhöhter Verschmutzung ausgesetzt. Weitere elektrische Drehfeldmaschinen sind aus der deutschen Patentanmeldung
DE 103 55 076 A1 , den U.S. Patentanmeldungen
US 2006 / 0 063 403 A1 ,
US 2004 / 0 232 786 A1 und der japanischen Patentanmeldung
JP H08 - 23 666 A bekannt.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Drehfeldmaschine mit einer Sensoranordnung bereitzustellen, die den Stand der Technik hinsichtlich kompakter Bauweise und/oder Schutz der Sensoranordnung vor Verschmutzung verbessert. Diese Aufgabe wird nach Maßgabe der Erfindung durch eine elektrische Drehfeldmaschine gelöst, die ein Motorgehäuse, einen Stator, einen Rotor, ein Lager und einen Positionssensor umfasst. Das Lager ist zur drehbaren Lagerung des Rotors am Stator bezüglich einer Drehachse vorgesehen. Der Positionssensor ist innerhalb des Gehäuses angeordnet und zur Erfassung einer relativen Position des Rotors bezüglich des Stators vorgesehen. Das Lager und der Positionssensor sind im Wesentlichen in einer zu der Drehachse senkrechten Ebene angeordnet. Dadurch dass der Positionssensor im Bereich der Lagerebene liegt, wird die Baulänge des Motors reduziert, wodurch wiederum der erforderliche Bauraum der Drehfeldmaschinen geringer wird. Der Positionssensor ist wegen seiner Anordnung innerhalb des Motorgehäuses vor äußeren Verschmutzungseinwirkungen geschützt. Der Positionssensor umfasst eine statorseitige Komponente und eine rotorseitige Komponente, wobei die rotorseitige Komponente mittels eines Komponententrägers mit dem Rotor verbunden ist. Vorzugsweise sind die statorseitige Komponente und die rotorseitige Komponente derart am Stator bzw. Rotor angeordnet, dass sie sich zumindest einmal pro Umdrehung des Rotors der Drehfeldmaschine gegenüber stehen oder sich einander nahe kommen. Mit dem Zusammenspiel einer statorseitigen Komponente und einer rotorseitigen Komponente kann der Positionssensor in der Regel zuverlässige Drehwinkelbestimmungen liefern, da sich die beiden Komponenten des Positionssensors aufeinander abstimmen lassen. Die Verbindung der rotorseitigen Komponente mit dem Rotor mittels eines Komponententrägers bietet beispielsweise die Möglichkeit einer Verwendung derselben rotorseitigen Komponente in Drehfeldmaschinen unterschiedlicher Größe. Auch kann der Komponententräger an den inneren Aufbau der Drehfeldmaschine angepasst sein. Der Stator umfasst ferner einen Lagerträger, der das Lager und die statorseitige Komponente des Positionssensors trägt und ein bezüglich der Drehachse rotationssymmetrische Labyrinth aufweist. Durch diese zusätzliche Nutzung des Lagerträgers zur Unterstützung der statorseitigen Komponente werden die Bauteile und Platzbedarf eingespart. Der Komponententräger ist bezüglich der Drehachse rotationssymmetrisch und weist eine Vertiefung auf einer dem Lagerträger zugewandten Seite auf. In dieser Vertiefung ist die rotorseitige Komponente angeordnet. Das Labyrinth und der Komponententräger weisen zumindest abschnittsweise komplementäre Formen auf. Somit bilden die Konstruktion des Komponententrägers und des Lagerträgers ein hinreichend geschlossenes System. Sollten beispielsweise während des Motorbetriebs Partikel vom Sensormagneten absplittern, werden diese durch das ausgebildete Gehäuse (Komponententräger und Lagerträger) vom Leistungsteil der Drehfeldmaschine ferngehalten. Eine Kappe, die den Sensormagneten umschließt und in einigen bekannten Drehfeldmaschinen verwendet wird, ist nicht erforderlich. Auch diese Maßnahme kann sich auf reduzierte Bauteilkosten und verbesserte Produktqualität auswirken. Die komplementären Formen umfassen statorseitig eine kreisförmige Nut und rotorseitig einen kreisförmigen, in die Nut eingreifenden Rand. Nut und Rand sind jeweils zu der Drehachse konzentrisch sein. Durch diese Gestaltung wird das hinreichend geschlossene System gebildet, wobei gewährleistet ist, dass der Rotor sich gegenüber dem Stator drehen können muss.
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Der Positionssensor kann in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse weiter außen als das Lager angeordnet sein. Im Falle eines Hall-Effekt-Positionssensors mit Ringmagnet bedeutet dies, dass der Innendurchmesser des Sensormagneten auf einem größeren Durchmesser liegt als bei üblichen Sensorsystemen. Dadurch haben die Segmentbreitenvarianz der Magnetpole am Sensormagnet und die Positionsabweichung des Hall-ICs einen geringeren Einfluss auf die Leistung des Motors und dies führt in der Folge auch zu einer verbesserten Produktqualität des Motors, sowie geringerer Streuung der Motorparameter.
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Der Komponententräger kann zumindest abschnittsweise aus magnetischem Werkstoff und vorzugsweise aus ferromagnetischem Werkstoff bestehen. Dadurch wird der Positionssensor bzw. das Sensorsystem durch den magnetischen Trägerring vom magnetischen Streufeld der Leistungskomponenten (Strom durchflossene Statorwicklung und Magnete auf dem Rotorpaket) abgeschirmt. Der Positionssensor kann durch den Komponententräger auch thermisch vom Stator abgeschirmt werden. Damit ergeben sich geringere Anforderungen an die Spezifikation der elektrischen Komponenten (beispielsweise der Hall-ICs) und der mechanischen Komponenten (beispielsweise des Sensormagnets). Bezogen auf die Drehfeldmaschine kann mit reduzierten Bauteilkosten und verbesserter Produktqualität gerechnet werden.
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Die elektrische Drehfeldmaschine kann weiterhin eine mit dem Rotor verbundene Rotorwelle umfassen, wobei der Komponententräger bezüglich der Drehachse eine im Wesentlichen rotationssymmetrischen Form hat und drehfest an der Rotorwelle befestigt ist. Durch die im Wesentlichen rotationssymmetrische Form des Komponententrägers werden Unwuchten vermieden. Die drehfeste Verbindung des Komponententrägers an der Rotorwelle sorgt dafür, dass die rotorseitige Komponente des Positionssensors sich bezüglich des Rotors stets in einer definierten Position befindet.
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Der Komponententräger kann einen im Wesentlichen ringförmigen äußeren Abschnitt umfassen. Der Lagerträger kann eine Aussparung zur Aufnahme eines Teils des Positionssensors aufweisen. Beispielsweise kann die statorseitige Komponente des Positionssensors in der Aussparung aufgenommen werden. Dadurch wird die strukturelle Stabilität des Lagerträgers nur geringfügig reduziert und gleichzeitig Platz eingespart.
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Die elektrische Drehfeldmaschine kann ein bürstenloser Gleichstrommotor sein. In bürstenlosen Gleichstrommotoren ist es häufig erforderlich, den Drehwinkel zwischen Rotor und Stator fortwährend zu bestimmen, um daraus Steuersignale für die verschiedenen Wicklungen der Drehfeldmaschine abzuleiten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Rahmen der folgenden Beschreibung der beigefügten Figuren deutlich, die beispielhaft und nicht einschränkend verstanden werden sollte. In den Figuren gilt:
- 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Drehfeldmaschine gemäß den in diesem Dokument offenbarten technischen Merkmalen.
- 2 zeigt zwei Schnittansichten eines Lagerträgers und eines Komponententrägers gemäß den in diesem Dokument offenbarten technischen Merkmalen.
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Lagerträgers gemäß den in diesen Dokumenten offenbarten technischen Merkmalen.
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1 zeigt einen Teil einer elektrischen Drehfeldmaschine im Längsschnitt. Die elektrische Drehfeldmaschine umfasst ein Gehäuse 15 und einen Stator 6. Der Stator umfasst einen Statorkern, der beispielsweise gegossen oder als Blechpaket aufgebaut sein kann. Der Stator umfasst auch mehrere Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes im Statorkern und im Rotor 1, 7, 8. Der Rotor umfasst im Wesentlichen eine Rotorwelle 1, einen Rotorkern 8 (z.B. Blechpaket oder gegossen) und Rotormagneten 7. Während des Betriebs der Drehfeldmaschine wechselwirken die Rotormagneten 7 mit dem Magnetfeld, das von den Statorwicklungen zeitlich veränderlich aufgebaut wird. Dadurch erzeugen die Rotormagnete 7 ein Drehmoment, das über den Rotorkern 8 auf die Rotorwelle 1 übertragen wird.
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Der Positionssensor umfasst einen Sensormagneten 4, der in 1 als Ringmagnet ausgeführt ist. Der Positionssensor umfasst auch einen Magnetfeldsensor, zum Beispiel einen Hall-IC 9, der an einer bestimmten Winkelposition an einem Lagerträger 3 angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen können auch mehrere Hall-ICs an unterschiedlichen Winkelpositionen am Lagerträger 3 angebracht sein. Der Magnetfeldsensor 9 detektiert die Polarität des von dem Sensormagneten in der Nähe des Magnetfeldsensors produzierten Magnetfelds und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal aus. Der Sensormagnet 4 wird in 1 als rotorseitige Komponente von einem Komponententräger 5 getragen. Der Komponententräger ist drehfest mit der Welle 1 verbunden, sodass auch der Sensormagnet in demselben Maße rotiert, wie der Rotor 1, 7, 8.
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2 zeigt auf der linken Seite eine Schnittansicht des Lagerträgers 3 und des Komponententrägers 5, wobei der Schnitt in einer zur Drehachse parallelen Ebene ausgeführt wurde. Auf der rechten Seite zeigt 2 eine zweite Schnittansicht der beiden Bauteile Lagerträger 3 und Komponententräger 5, wobei der Schnitt diesmal senkrecht zur Drehachse durchgeführt wurde. Nicht dargestellt in 2 sind zwecks besserer Klarheit unter anderem das Lager 2, die Rotorwelle 1 und der Sensormagnet 4.
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Der Lagerträger 3 ist ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Bauteil, das einen zentralen Bereich zur Aufnahme des Lagers 2 (Lager 2 nicht dargestellt in 2) bietet. Der zentrale Bereich wird von einer zylindrischen Wand sowie einem radial nach innen vorspringenden Ring begrenzt. Der radial nach innen vorspringende Ring dient der Fixierung des Lagers 2 in axialer Richtung und hat eine innere Öffnung 13, durch die das Lager 2 zu Wartungszwecken (z.B. zur Schmierung) zugängig ist. Alternativ kann die Öffnung 13 auch kleiner dimensioniert sein, sodass sie im Wesentlichen nur die Rotorwelle 1 hindurch treten lässt. Der Rotorträger 3 umfasst auch eine ringförmige Scheibe, die sich von der zylindrischen Wand radial nach außen erstreckt. Am Übergang zwischen zylindrischer Wand und ringförmiger Scheibe ist eine kreisförmige Nut 10 ausgebildet. Alternativ kann die kreisförmige Nut 10 auch nur in der ringförmigen Scheibe ausgebildet sein, also nicht am Übergang zwischen zylindrischer Wand und ringförmiger Scheibe. In der rechten Ansicht in 2 ist erkennbar, dass sich die Nut 10 an einer Stelle zu einer Aussparung 11 erweitert. Diese Aussparung 11 ist geeignet zur Aufnahme der statorseitigen Komponente 9 des Positionssensors, beispielsweise eines Hall-ICs. Ein eventuell vorhandenes Signalkabel der statorseitigen Komponente 9 des Positionssensors kann durch ein Loch 12 geführt werden.
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Ebenfalls in 2 dargestellt ist der Komponententräger 5. Der Komponententräger 5 umfasst in dieser Ausführungsform einen zentralen Zylinder, der zur Aufnahme der Rotorwelle 1 ausgelegt ist. Die Verbindung zwischen Rotorwelle 1 und dem Komponententräger 5 ist üblicherweise drehfest gestaltet, beispielsweise mittels Presspassung, Formschluss oder Verspannen mittels Schrauben. Von dem zentralen Zylinder des Komponententrägers 5 erstreckt sich radial nach außen eine kreisförmige Scheibe. Der radial äußere Rand der Scheibe ist zu einem zylindrischen Ring erweitert. Der zylindrische Ring greift zumindest teilweise in die Nut 10 des Lagerträgers 3 ein, sodass ein Rand 14 des zylindrischen Rings einen möglichst geringen Abstand zum Nutgrund der Nut 10 hat. Dadurch wird zwischen Komponententräger 5 und Lagerträger 3 ein Labyrinth gebildet, welches das Eindringen von Schmutz und Flüssigkeit wirksam verhindert. Der äußere Ring des Komponententrägers 5 trägt an seiner Innenseite die rotorseitige Komponente(n) 4 des Positionssensors (nicht dargestellt).
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Lagerträgers 3. Die Rotorwelle 1, das Lager 2 und die statorseitige Komponente 9 des Positionssensors sind strichpunktiert dargestellt. Dabei ist die statorseitige Komponente 9 in der Aussparung 11 des Lagerträgers 3 aufgenommen. Zwischen statorseitigen Komponente 9 und der äußeren Wand der Nut 10 ist ein Abstand, der ausreicht, um den Rand 14 des Komponententrägers 5 und die rotorseitige Komponente 4 (Sensormagnet bzw. Magnetring) des Positionssensors aufzunehmen. Der Rand 14 und die rotorseitige Komponente 4 können sich somit an der statorseitigen Komponente 9 vorbeibewegen, wenn der Rotor sich gegenüber dem Stator dreht.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorangehenden, lediglich beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf weitere Varianten. Beispielsweise kann anstelle einer Sensoranordnung auf Grundlage von Hall-Sensoren auch eine auf optischer Erfassung basierende Sensoranordnung verwendet werden. Auch eine elektromechanische Sensoranordnung ist gegebenenfalls denkbar, insbesondere bei relativ langsam rotierenden Drehmaschinen. Unabhängig von der zugrunde liegenden Erfassungstechnik könne die zuvor erläuterten technischen Merkmale angewendet werden. Die Form der Aussparung zur Aufnahme der statorseitigen Komponente des Positionssensors kann eine andere Form als die dargestellte haben. Es ist auch möglich, mehrere statorseitige Komponenten an verschiedenen Winkelpositionen vorzusehen, wodurch zum einen die Genauigkeit verbessert werden kann, und zum anderen eine Bestimmung der Drehrichtung möglich gemacht wird.